Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современные проблемы электроснабжения предприятий с непрерывным циклом производств 11
1.1 Характерные нарушения электроснабжения на предприятиях минерально-сырьевого комплекса .11
1.2 Типовые схемы электроснабжения предприятий нефтегазового комплекса 18
1.3 Технические средства резервирования электроснабжения промышленных потребителей 22
1.4 Обоснование цели исследования .23
1.5 Выводы к главе 1 24
Глава 2 Определение надежности и бесперебойности электроснабжения электро-технических комплексов нефтегазовых предприятий 25
2.1 Надежность и бесперебойность электроснабжения на нефтеперерабатывающем предприятии 25
2.2 Нарушения электроснабжения нефтедобывающего предприятия 29
2.3 Электроснабжение объекта газотранспортной системы 36
2.4 Степень независимости секции сборных шин электроподстанций при питании от единой энергосистемы 50
2.5 Оценка качества электроэнергии при питании от автономных источников соизмеримой мощности .57
2.6 Выводы к главе 2 64
Глава 3 Оценка эффективности сетевой автоматики в системах электроснабжения нефтегазовых предприятий
3.1 Средства автоматики, используемые при резервировании ответственной нагрузки .66
3.2 Устройства быстродействующего ввода резерва .81
3.3 Оборудование, используемое для обеспечения бесперебойного электроснабжения электропотребителей 82
3.4 Согласование резервного генератора и модулей бесперебойного питания .89
3.5 Выводы к главе 3 .92
Глава 4 Разработка системы бесперебойного электроснабжения электротехниеских комплексов нефтегазовых предприятий
4.1 Разработка структуры системы многоступенчатого ввода резерва для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей .93
4.2 Алгоритм функционирования системы бесперебойного электроснабжения с двухступенчатым автоматическим вводом резерва 102
4.3 Обоснование рациональных параметров элементов системы бесперебойного электроснабжения 108
4.4 Исследование электротехнического комплекса с модулями бесперебойного питания .118
4.5 Требования, предъявляемые к системам электроснабжения предприятий с непрерывным циклом производства 120
4.6 Выводы к главе 4 .123
Заключение .124
Список литературы
- Технические средства резервирования электроснабжения промышленных потребителей
- Нарушения электроснабжения нефтедобывающего предприятия
- Оборудование, используемое для обеспечения бесперебойного электроснабжения электропотребителей
- Алгоритм функционирования системы бесперебойного электроснабжения с двухступенчатым автоматическим вводом резерва
Технические средства резервирования электроснабжения промышленных потребителей
При этом необходимо разделять поведение энергетической системы промышленных объектов при различном характере изменений и возмущений, что будет определяться тип её устойчивости.
Статическая устойчивость - свойство системы восстанавливать исходное положение равновесия после приложения бесконечно малого возмущения (например, при изменении величины передаваемой мощности через какое-либо сечение ЭЭС).
Динамическая устойчивость - способность системы восстанавливать исходный или другой эксплуатационный режим после приложения конечного возмущения (в случае возникновения короткого замыкания, отключения крупного потребителя или линии электропередачи).
Особенно сильное воздействие нарушения электроснабжения оказывают на непрерывные технологические процессы, встречаемые на производствах, связанных с нефтепереработкой, с газотранспортной системой, химических производствах и других отраслях промышленности [47, 57].
Производственный процесс на таких предприятиях невозможно мгновенно остановить, а потом запустить снова, поскольку такие технологические объекты для таких операций требуют длительного времени - от десятков минут до нескольких суток с учетом строгого соблюдения технологических регламентов.
Сложность обеспечения технологического процесса выпуска продукции на таких производственных объектах объясняется наличием множества технологических установок, в которых химические реакции происходят при поддержании определенных параметров, таких как температура, давление, определенные объемные или весовые соотношения участвующих реагентов, а так же время проведения реакции [2-5, 25, 60].
Поддержание постоянства технологических параметров обеспечивается компрессорами, насосами, холодильниками, термостатами, регулируемыми задвижками, мешалками и др. механизмами, что приводятся во вращение с помощью электродвигателей. В таких сложных комплексах достаточно выхода из строя одного из механизмов или даже изменения своей производительности, как технологические параметры превысят критические значения, и процесс будет остановлен системами противоаварийной автоматики. При этом возникает ущерб, выраженный в браке продукции, или потребуется полный останов и перезапуск технологического процесса с удалением непрореагировавших химических компонентов, с продувкой системы инертным газом и перезапуск технологического процесса. В подобных случаях ущерб учитывает: 1) стоимость реагентов, сырья и израсходованных во время отстановки и перезапуска технологического процесса катализаторов; 2) эксплуатационные расходы за указанное время (зарплата обслуживающего персонала, расход топлива, электроэнергии, смазочных материалов и др.); 3) амортизации производственных фондов; 4) может учитываться стоимость недовыпущенной продукции. Помимо самого процесса выброса непрореагировавших материалов или брака продукции необходимо учитывать наносимый экологический ущерб, а следовательно к ущербу добавляются затраты на ликвидацию всех возможных последствий. Исключить нарушения в системах внешнего электроснабжения невозможно. Для минимизации ущерба от КНЭ требуется комплекс мероприятий в сетях внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий, использованием быстродействующих защит и других средств автоматики, применением самозапуска электродвигателей [32, 51].
Наиболее распространенная схема электроснабжения нефтегазовых предприятий по двум независимым линиям электропередачи от энергосистемы представлена на рисунке 1.2. Потребители 0,4 кВ Потребители 0,4 кВ Рисунок 1.2 - Традиционный вариант системы электроснабжения предприятий НГК В случае аварийных ситуаций на одной из линий длительность нарушения в электроснабжении производится с учетом срабатывания устройств автоматического ввода резерва (АВР), что может составить от 3 до 5 секунд.
Резервирование мощности в случае планового или аварийного останова части агрегатов электростанции, может быть обеспечено за счет резервных мощностей электростанций собственных нужд (ЭСН). Согласно ПУЭ 7-го издания, главе 1.2.18: «Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров». Выдержка из главы 1.2.19: «Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания [54].
В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.
Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.
Нарушения электроснабжения нефтедобывающего предприятия
ДГЭ - дизельная или газовая электростанция стационарная или передвижная, предназначенная для использования в качестве резервного или основного источника питания; АДЭС - аварийная дизельная электростанция, предназначенная для использования в качестве аварийного источника питания на определенное время; УППГ - установка предварительной подготовки газа [48,62]. Объектом исследования является установка подготовки газа для заполнения (УПГЗ) морского участка северо-европейского газопровода «Северный поток» ЛПУ «Портовое» ООО «Газпромтрансгаз Санкт-Петербург».
«Северный поток» — новый маршрут транспортировки российского энергоносителя в Европу. Экспорт газа проходит через акваторию Балтийского моря от бухты Портовая (район Выборга) до побережья Германии (район Грайфсвальда). Протяженность газопровода составляет свыше 1200 км и напрямую соединяет Единую систему газоснабжения России с европейской газотранспортной системой.
УПГЗ размещена на компрессорной станции (КС) «Портовая», где используются 6 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) мощностью 52 МВт и 2 ГПА мощностью 27 МВт. ГПА мощностью 52 МВт используются впервые в истории эксплуатации Единой системы газоснабжения России.
Проект строительства УПГЗ являлся уникальным, поскольку предполагал создание установки, на тот момент не имеющей мировых аналогов по уровню производительности. И по настоящее время данный производственный объект обладает уникальными характеристиками. Установка предназначена для осушки 170 млн куб. м природного газа в сутки. Это в 3,6 раза превышает производительность УПГТ на КС «Краснодарская» газопровода «Голубой поток», который проходит по дну Черного моря из России в Турцию.
После выхода на проектную мощность обеих ниток производительность «Северного потока» составит 55 млрд куб. м газа в год.
Задачей же УПГЗ является сложная подготовка сырья и исключение образования конденсата и газовых гидратов в морском газопроводе, что повышает техническую надежность «Северного потока», поскольку на всём его протяжении не предусматривается промежуточных компрессорных и перекачивающих станций.
Ключевым этапом выполнения производственного плана газотранспортного предприятия является процесс перекачки газа. Именно он определяет факт оказания услуги. Можно отметить, что процесс перекачки газа в значительной степени автоматизирован, и большая часть параметров данного процесса и соответствующих решений обусловлена технологией работы оборудования компрессорных станций [45,46].
Ключевым звеном в системе управления объектом является система автоматического управления установкой подготовки газа к заполнению (САУ УПГЗ). Система построена на базе средств автоматизации Allen Bradley фирмы Rockwell Automation и средств визуализации Genesis-32 фирмы Iconics.
Данная система позволяет оперативному персоналу управлять как работой отдельного исполнительного механизма, или технологического блока, так и установкой в целом.
САУ УПГЗ обеспечивает автоматическую защиту всех основных агрегатов и аппаратов установки при отклонении от нормы технологических параметров, а также контроль достоверности информации, диагностирование оборудования, быструю локализацию неисправностей, защиту от ошибочных действий персонала и несанкционированного вмешательства. САУ УПГЗ реализует следующие функции: 1. Функции управления и регулирования: - блокировка команд оператора, противоречащих регламенту работы установки; - стабилизация основных технологических параметров работы УПГЗ; - предотвращение превышения заданных уровней ограничивающих параметров; - автоматический переход на альтернативные алгоритмы регулирования при отказе отдельных измерительных каналов. 2. Функции противоаварийной защиты: - выявления аварийных ситуаций; - включение соответствующей аварийной защиты при достижении каким-либо параметром недопустимого значения; - сбор информации от датчиков по физическим и уплотненным каналам связи; - расчет косвенных параметров работы установки. 3. Информационные функции: - представление информации о режимах работы УПГЗ в виде мнемосхем установки с указанием положения исполнительных механизмов и значений измеренных и расчетных параметров. Параметры установки представляются на панели оператора в виде значений, привязанных к месту измерения параметра, таблиц и графиков (трендов); - представление оператору предупредительной, аварийной сигнализации и значений установок; - все параметры на мнемосхемах представляются в единицах физических величин SI. - автоматическое запоминание первопричины срабатывания аварийной защиты. - архивирование параметров САУ УПГЗ производится в полном объеме с указанием даты и времени, архивирование состоит из текущего (месяц хранения), долгосрочного и хранения аварийных трендов (минута до аварии и минута после). 4. Функции самодиагностики: - автоматический непрерывный контроль целостности цепей управления исполнительных механизмов участвующих в аварийном останове; - автоматический непрерывный контроль целостности цепей аналоговых и дискретных датчиков участвующих в реализации функций аварийной защиты; - автоматический контроль исправности оборудования САУ УПГЗ до сменного блока и сигнализация отказа с указанием устройства, места, времени, даты и вида отказа. Поэтому кратковременный перерыв в электроснабжении установки и низкое качество электроэнергии (КЭЭ) питающей сети может привести к некорректной работе и отключению САУ УПГЗ. В свою очередь это приведёт к отсутствию контроля технологических параметров, что в случае аварийной ситуации может стать причиной:
Оборудование, используемое для обеспечения бесперебойного электроснабжения электропотребителей
Однако при изменении угловой скорости изменяется и сопротивление двигателя, а значит при торможении двигателя, не отключенного от сети, или при разгоне по обмоткам, как правило, проходят повышенные токи, вызывающие дополнительный нагрев и дополнительные механические усилия, особенно в момент подключения к источнику питания.
Рассмотрим более подробно случаи нарушения электроснабжения и последовательность восстановления работы электродвигателей (СД).
Короткие замыкания в элементах СЭС, происходящие вне цепи питания электродвигателей. Такие нарушения сопровождаются понижением напряжения, глубина которых зависит от вида КЗ и удаленности двигателей от места его возникновения. Восстановление электроснабжения осуществляется отключением поврежденного элемента релейной защитой. Поскольку поврежденный элемент находится вне цепи питания двигателей, то связь с источником питания не нарушается. Длительность КНЭ в этом случае складывается из времени срабатывания релейной защиты и временем вывода поврежденного элемента и составляет доли секунды.
1. В случае возникновения КЗ непосредственно в цепи питания электродвигателя, восстановление нормального функционирования проходит в два этапа:
Поврежденный элемент отключается релейной защитой, но при этом нарушается связь электродвигателя с источником питания;
Далее с помощью автоматического повторного включения (АПВ) или с помощью автоматического ввода резерва (АВР) питание электродвигателя возобновляется. Общая длительность КНЭ в этом случае может составлять несколько секунд, т.к. ко времени срабатывания и вывода поврежденного элемента добавляется время срабатывания ввода резерва.
2. Нарушение нормальной работы электродвигателей может быть так же вызвано и неправильными действиями оперативного персонала. После отключения электродвигателей восстановление электроснабжения обеспечивается с помощью АВР.
Рассмотрим пример самозапуска синхронного электродвигателя. По характеру протекания переходных процессов можно выделить два вида: 1) самозапуск при сохранении динамической устойчивости; 2) самозапуск при выпадении из синхронизма с последующей ресинхронизацией. Практически самозапуск с сохранением динамической устойчивости будет обеспечен, если за время КНЭ (к моменту восстановления электропитания) угол , характеризующий положение ротора, не превысит критического значения кр140150 . Возрастание угла при КНЭ характеризуется следующим соотношением: AM 2 кр = 0 +7У0 7 t (3.8) J Гдед0 - значение угла до возникновения КНЭ, AM - разность между тормозным моментом механизма и электродвигательным моментом при нарушении ЭС. Наиболее тяжелый режим самозапуска возникает при возникновении трехфазного КЗ вблизи выводов двигателя, когда AM « ММЕХ.
Для сохранения динамической устойчивости необходимо, чтобы время отключения КЗ было меньше критического времени tкр нарастания угла д. На критическое время оказывают влияние два фактора: остаточное напряжение на выводах электродвигателя и состояние системы возбуждения при возникновении КНЭ. В свою очередь остаточное напряжение UОСТ зависит от электрической удаленности места возникновения КЗ от источника электроснабжения и от выводов электродвигателя, а сохранение возбуждения – от схемы питания и типа возбудительного устройства.
В штатных устройствах автоматического ввода резерва (АВР) в качестве пускового органа используется реле минимального напряжения. При наличии в системе электроснабжения синхронных двигателей (СД) время действия таких устройств АВР затягивается. Это объясняется тем, что СД, присоединенные к секции, потерявшей питание, продолжая вращаться по инерции, переходят в генераторный режим и некоторое время (28) с поддерживают на этой секции РУ напряжение, близкое к номинальному. Пусковой орган АВР сразу не сработает и запуск узла автоматики АВР затянется.
Применение на секционном выключателе шин 6(10) кВ подстанции АВР двустороннего действия в случае традиционного исполнения обеспечивает минимальное время работы средств автоматики 0,4 - 0,5 с, а перерыв в электроснабжении после КНЭ для потребителей составляет более 1 c, что по данным технологов и работников службы главного энергетика велико и не обеспечит непрерывность технологического процесса, приведет к ущербу и браку выпускаемой продукции, сокращению срока эксплуатации электрооборудования, увеличению числа аварий.
Алгоритм функционирования системы бесперебойного электроснабжения с двухступенчатым автоматическим вводом резерва
Из выражения (4.4) следует, что полное количество агрегатов электростанции может определяется тремя составляющими nраб, nрез, nрем каждое из которых вносит свой вклад в общую надежность работы электростанции [55].
Выбрав тип электроагрегата по данным завода-изготовителя, и, зная из технических условий данные о продолжительности и периодичности профилактических осмотров и ремонтов, уравнения позволяют рассчитать количество необходимых электроагрегатов для электростанции из условий, что надежность обеспечения электроэнергией электроприемников промышленного объекта будет равна Р(t)= 1,0 (100 %) или иметь необходимый запас, в зависимости от требований, предъявляемых к электроснабжению объекта.
Поскольку основные электроустановки нефтегазодобычи относятся к потребителям перерыв в электроснабжении которых допускается только на время автоматического ввода резерва, то необходимо предусматривать наличие "нагруженного" резерва, т.е. в работе одновременно должно находиться столько агрегатов и загрузка их должна быть такова, чтобы при выходе одного из агрегатов оставшиеся в работе имели возможность принять на себя имеющуюся нагрузку на время, необходимое для ввода в действие агрегата из "ненагруженного" (горячего) резерва, или же обеспечить ремонт вышедшего из строя электроагрегата. Имеются в виду дефекты, которые могут быть устранены имеющимся обслуживающим персоналом за время не более 2 часов [55].
С учетом принятых допущений количество одновременно работающих электроагрегатов электростанций собственных нужд определится по формуле Праб = max NHOM-КЗГ, (4.5) где: Рmax - максимальная нагрузка электростанции, кВт; Nном - номинальная мощность электроагрегата, кВт. Выбор типа агрегата - задача многофакторного анализа, решаемая при проектировании ЭСН. Важнейшие факторы - экономические: стоимость электроагрегата, его экономичность, цены используемого топлива и масла; технические - характеристики электроагрегата такие как: моторесурс до текущего и капитального ремонтов, общий моторесурс, время непрерывной работы, ремонтопригодность, комплектация запасными частями, возможность использования электроагрегатов в блоках полной заводской готовности, весогабаритные показатели и ряд факторов, определяемых спецификой промышленного объекта и природно-климатическими условиями, в которых должны эксплуатироваться электроагрегаты.
Количество ремонтных агрегатов определяется специфическими особенностями выбранного агрегата и его надежность в работе. Время нахождения в ремонте определяется режимом работы электростанции и наработкой агрегатов за год, и при определенных условиях резервный агрегат может совмещать функции ремонтного, что сокращает капвложения в строительство ЭСН [17,55].
Алгоритм функционирования системы бесперебойного электроснабжения с многоступенчатым автоматическим вводом резерва Алгоритм функционирования системы бесперебойного электроснабжения с МАВР представлен в виде блок-схемы на рисунке 4.2. Алгоритм включает выполнение следующих функций: Послеаварийный режим функционирования СБЭ характеризуется изменением ее параметров, из-за перехода в новое установившееся состояние. Поскольку единовременное подключение всей нагрузки на генераторную установку приведет к перегрузке приводных двигателей [18,22,44].
Возникновение недопустимых перегрузок генераторных установок основных или резервных и аварийных источников питания в течение действия КНЭ, вследствие резких переменных нагрузок, резким воздействием со стороны органов управления скоростью вращения и реверсом, являлась предметом многих исследований.
Рассмотрим, как происходит процесс подключения нагрузки на электростанцию собственных нужд (ЭСН) в случае дизельной электростанции (ДЭС) с дизелем высокого наддува (к последним будем относить дизели, оснащенные свободными турбонагнетателями и имеющие среднее эффективное давление е у 1, МПа (у четырехтактных дизелей)). Возможность такой генераторной установки приема мгновенно набрасываемой нагрузки зависит от технических характеристик турбонагнетателя.
Режимы наброса (сброса) нагрузки отрицательно влияют на работу двигателей внутреннего сгорания всех типов, что неизбежно приведет к несоответствию уровня качества электрической энергии на входе нагрузки по требованиям ГОСТ Р 50783-95 «Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания».
Параметры дизельной ЭСН СПЭК-630НК-М3, взятой в качестве примера приведены в таблице 4.2. Газовый двигатель имеет более низкую устойчивость к нагрузкам, чем дизельный двигатель. Переходное (динамическое) отклонение выходного напряжения генератора газового двигателя CumminsQSV91 G при сбросе-набросе нагрузки, равной 50% номинальной мощности составляет - 13%, а переходное отклонение частоты выходного напряжения – 7%. При одновременном подключении нагрузки равной 75% номинальной мощности отклонение напряжения составляет уже – 24,3%, а частоты – 15,5% (таблица 4.1).